专利名称:燃气透平动叶片冷却剂通道的改进结构的制作方法
本发明涉及燃气透平的动叶片，尤其涉及其冷却系统。
转动的透平叶片通常用空气冷却，空气经过从叶根穿到叶顶的许多小孔径向向外流动。在先前的技术中，通常整个叶身和根部的孔径相等，或者叶身部分为相等的第一直径，而根部为相等的第二直径。根部的孔道通常较大，以防止不需要重点冷却区域的压力损失。叶身部分冷却剂孔道的直径必须很小，使该处冷却剂流速高并获得所需要的传热系数。
无论从应力考虑还是从冷却考虑，叶片的关键设计区均为叶片的中段区，通常根据设计意图来调整孔径、孔的数目及冷却剂的流量。当冷却剂沿叶片向外流动时，它接受了热的叶片流道气体的热量而被显著加热，因此，叶片中段区冷却剂温度显著地高于叶片轮缘附近的冷却剂温度。
叶片轮缘附近的冷却剂温度较低势必会把叶片冷却到低于应力设计所要求的温度。叶片轮缘附近的过冷意味着冷却剂实际吸收的热量比它应当从轮缘区吸收的多，结果中段区冷却剂温度就增高了，使冷却剂流量和(或)金属温度比不出现过冷时高。
由于离心应力的降低更甚于叶片顶部冷却剂的变热，因此叶顶也会出现过冷。轮缘及叶顶过冷的一个重要后果是压力损失水平高于为了产生与冷却要求相匹配的传热水平而降低过冷区单位通流面积的冷却剂流量时可能达到的水平。过冷区压力损失的降低使中段区单位通流面积上冷却剂流量可能增高，从而在一定的叶根供入压力下可增加冷却。这样，在设计中就可选用较高的透平入口温度，或者，在一定的透平入口温度下可选用较低的冷却流量。
而且，在铸造动叶片的工艺中，通常用型芯铸出叶片中的径向冷却剂孔道。型芯的结构弱点使芯部断裂及叶片甩出的机会比预期的更多，从而增加了叶片的单位制造成本。
因此，本发明的基本目的是提供一种新的叶片结构，它具有改进的冷却剂通道，使冷却更有效，透平运行更好，制造效率更高。
鉴于此目的，本发明属于燃气透平的一个动叶片，它有一个根部及从根部延伸的叶身部分，上述叶身有许多从叶根沿叶高延伸到叶顶的冷却剂孔道供从叶根处进入的冷却剂流动，上述各冷却剂孔道有一个内侧轮缘部分及从内侧轮缘向外延伸的第二部分，其特征在于上述轮缘部分及孔道的第二部分有相应的通流面积，使轮缘部分孔道中单位通流面积的冷却剂流量比中段区孔道第二部分中的低，从而防止叶片轮缘区的过冷。
下面参考附图并以举例的方式说明本发明的最佳实施例，其中图1示出一燃气透平叶片的透视图，叶片的冷却剂通道符合本发明的原理;
图2示出叶片剖面的一部分，表示图1的叶片上的冷却剂孔道结构是锥形孔道;
图3和图4表示根据本发明得到的锥形冷却剂孔道结构的其他几个实施例。
图1上示出的燃气透平叶片10有叶根12及叶身14，其排列符合本发明的原理。冷却剂孔道或通道16沿叶片高度径向向外延伸。空气流从叶根的冷却剂补偿孔流入，沿冷却剂孔道16向外流动，空气流冷却叶身14及其暴露于热的叶片通道气体中的表面。
叶身的中段区18是关键设计区，孔道数目、孔径及冷却剂流量首先要满足该区的冷却需要。而且，总的叶片冷却系统的结构在设计上都要符合此关键区的要求。
叶片轮缘区20的孔道16中冷却剂温度要比中段区18的低，这是因为冷却剂在沿叶片向外流动时要被加热。在先前的设计中，较低温度的冷却剂会过冷叶片轮缘20，使中段区18的冷却剂温度高于未过冷时的温度。冷却剂流量和(或)金属温度都高于用消除过冷来降低冷却剂温度时所能达到的程度。
用本发明所提供的冷却剂孔道结构可明显地降低或消除叶片轮缘区的过冷，允许冷却剂流量及金属温度都比较低，提高了冷却效率及透平的效率。
参看图2，冷却剂孔道16包括轮缘部分22及外侧部分24，外侧部分24从轮缘部分22穿过叶片中段区延伸到叶顶26。
冷却剂孔道16的轮缘部分22从入口端到与外侧部分24连接处成锥形，内大外小，而外侧部分24的孔径则沿其长度基本不变。
由于孔道是锥形的，因此轮缘区20中孔道通流面积比中段区18的大。降低轮缘区20中单位通流面积的冷却剂流量就降低了该区传热系数及冷却量。透平及叶片的设计参数决定着锥形的数量及长度，以降低和基本消除轮缘区20的过冷。
锥形的冷却剂孔道也降低冷却剂孔道的压力损失。而且，中段区单位通流面积上可获得较高的流量，在叶根处供入压力一定时金属温度也低。因此，使用翼展式孔道冷却技术能用较高的透平入口温度。在一定的透平入口温度下，由于该设计段有较高的单位通流面积流量，可以利用这一点来减少冷却流量。
图3所示实施例用来降低或消除叶片轮缘20及叶顶21的过冷。冷却剂孔道16a包括锥形的轮缘区22a、等径的中段区24a及沿冷却剂流动方向向外成锥形的叶顶部分25a。
当叶顶处孔道25a中有效通流面积增加时，冷却剂流速就降低，传热也降低。因此，适当选择孔道25a的锥形数量及长度就可显著降低或消除过冷，这种过冷是由于叶顶21处离心应力降低而造成的。其主要收益是进一步降低了冷却剂的压力损失，允许冷却剂流量较低或者使中段区18的冷却增加。
可以从孔道16a处取消等径的中段区24a，使孔道16a由两个颠倒的锥形22a及25a头靠头地组成。这时，可根据应力及传热来确定孔道22a及25a的连接点位置。
为了把压力损失减到最小，锥形孔道最好为连续的锥形，无论是采用线性的(如图所示)或者设计中采用的非线性的形式。此外，冷却剂孔道最好为圆形截面，但本发明也可用于非圆形截面。
图4上示出本发明的另一个实施例。其中，冷却剂孔道16b为阶梯形的，沿其长度提供不同的横截面，以显著降低叶片区的过冷。
在此例中，冷却剂孔道16b包括轮缘区22b，中段区24b及叶顶区25b。轮缘区22b由第一孔径的内侧段22b1及较小孔径的外侧段22b2组成。中段区24b靠近轮缘外侧段22b2组成，其孔径比22b2更小。叶顶区25b由25b1及25b2组成，其孔径依次加大。冷却剂孔道16b的各段长度及孔径根据应力及传热的要求来定，以显著降低叶片区的过冷，提高叶片的冷却效率及透平的效率。
使用锥形冷却剂孔道的另一优点是允许用铸造工艺来制造叶片，使用型芯铸出冷却剂的孔道。因此，可以用锥形型芯铸出冷却剂孔道16及16a，与通常用的在叶身中形成等径冷却剂孔道的型芯相比，在轮缘区及叶顶区直径较大的锥形型芯的特征是强度高，由于芯部强度高，因此就减少了芯部破裂及叶片甩脱，降低了制造成本。
此外，强度高的锥形型芯可允许制造冷却剂孔道中段区较小的孔径。据此，叶片冷却的改进及叶片冷却剂流量的降低也是可以实现的。
权利要求
1.燃气透平一个动叶片有一个叶根及从叶根延伸出的叶身部分，上述叶身有许多从叶根沿叶高延伸到叶顶的冷却剂孔道，供从叶根进入的冷却剂流动，上述各冷却剂孔道有一个内侧轮缘部分及由此向外延伸的第二部分，其特征在于上述轮缘部分及孔道的第二部分有相应的通流面积，使轮缘部分单位通流面积上冷却剂的流量低于中间段孔道第二部分单位面积的流量，从而防止叶片轮缘区的过冷。
2.如权利要求
1所述的叶片，其特征在于上述轮缘部分的孔道从截面为第一通流面积的入口端到缩小了通流面积的出口端(位于轮缘部分与上述第二部分连接处)成连续的锥形。
3.如权利要求
2所述的叶片，其特征在于整个上述孔道第二部分的通流面积基本相等。
4.如权利要求
3所述的叶片，其特征在于上述孔道第二部分的通流面积等于上述轮缘部分孔道出口端的通流面积。
5.如权利要求
2所述的叶片，其特征在于上述孔道第二部分由两段组成，第一段全长的通流面积基本相等，并等于上述轮缘部分孔道出口端的通流面积，第二段由第一段沿叶高向外延伸，其入口端通流面积等于第一段通流面积，从它的入口端到扩大了通流面积的出口端(在叶顶处)成连续的锥形。
6.如权利要求
1所述的叶片，其特征在于上述孔道第二部分包括中间段及轮缘部分，整个中间段通流面积基本相等，而轮缘部分又包括入口段及出口段，入口段全段的第一通流面积基本相等，出口段与中间段相连，它全段的通流面积也基本相等，但面积小于上述第一通流面积而大于上述中间段的通流面积;上述孔道第二部分还包括一个第一顶部孔道段，该段分别与上述中间段及第二顶部孔道段相连，后者在叶顶处有一个出口，上述第一顶部段的通流面积大于中间段的通流面积，而上述有出口的第二顶部段的通流面积又大于上述第一顶部段的通流面积。
专利摘要
燃气透平的一个动叶片有一个叶身部分，许多从径向向外延伸的冷却剂通道穿过叶身。冷却剂孔道是锥形的，在叶身中间段有较小通流面积。这样，在整个孔道中可以产生比较均匀的冷却作用。
文档编号F01D5/18GK86104500SQ86104500
公开日1987年2月4日 申请日期1986年7月1日
发明者保罗·克拉伦斯·霍尔登 申请人:西屋电气公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan